王大鵬綜述， 海 艦審校

小泛素化修飾蛋白(small ubiquitin-related modifier,SUMO)是一類高度保守的由97個(gè)氨基酸殘基組成的多肽，分為SUMO1、SUMO2、SUMO3和SUMO4，參與蛋白質(zhì)翻譯后修飾。SUMO修飾蛋白質(zhì)的過(guò)程稱為SUMO化修飾(SUMOylation)，SUMOylation參與調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、細(xì)胞周期、核轉(zhuǎn)錄、蛋白間的相互作用、DNA修復(fù)等多種病理生理過(guò)程[1]。目前研究表明SUMO化與心臟病、癌癥、CNS疾病的發(fā)生密切相關(guān)，然而其作用機(jī)制并不清楚[2]。本文重點(diǎn)對(duì)SUMOylation在CNS腫瘤、神經(jīng)退行性疾病和缺血性腦損傷的發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制綜述如下。

1 SUMO結(jié)構(gòu)、分布和功能

SUMO相對(duì)分子量約為11000 kDa，從結(jié)構(gòu)上分析SUMO與泛素有18%的同源相似性，不同點(diǎn)在于SUMO的分子序列末端，比泛素分子的氨基酸序列多22個(gè)氨基酸殘基[3]。SUMO分子可共價(jià)結(jié)合底物的賴氨酸(Lys)殘基，與靶蛋白相互活化、結(jié)合、連接或解離。SUMO的底物大部分存在真核細(xì)胞核內(nèi)，包括啟動(dòng)子、轉(zhuǎn)錄因子以及部分調(diào)節(jié)因子。在哺乳動(dòng)物中，SUMO1、SUMO2、SUMO3和SUMO4的分布和功能存在差異，SUMO1～3在各個(gè)組織中均有表達(dá)，SUMO4在腎臟、脾臟和淋巴結(jié)表達(dá)。SUMO1主要修飾多數(shù)蛋白質(zhì)；SUMO2/3具有高度同源相似性(約87%)，主要修飾應(yīng)激蛋白；SUMO4主要修飾免疫性疾病和糖尿病相關(guān)蛋白[4]。

蛋白的SUMOylation受E1活化酶(SAEl/SAE2)、E2結(jié)合酶(Ubc9)和E3連接酶(PIASs)調(diào)節(jié)，其中E1活化酶是由Aosl和Uba2組成的異源性二聚體共同發(fā)揮作用；Ubc9是SUMO1與靶蛋白結(jié)合的關(guān)鍵酶；E3連接酶并不直接與SUMO結(jié)合，主要通過(guò)活化Ubc9，增加SUMO羧基末端甘氨酸(Gly)與靶蛋白Lys殘基異肽鏈連接的特異性和效率[5]。SUMOylation是重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾形式之一，調(diào)節(jié)蛋白的結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)蛋白質(zhì)的活性和功能穩(wěn)定性。蛋白的SUMOylation是其功能完整的基礎(chǔ)，但并不是所有的蛋白都進(jìn)行SUMOylation，該過(guò)程消耗ATP且競(jìng)爭(zhēng)磷酸化作用。另外，SUMOylation還是一個(gè)可逆的過(guò)程。去SUMO化(deSUMOylation)主要由SUMO特異性蛋白酶類(SUMO-specific proteases,SENPs)調(diào)控。目前人類中發(fā)現(xiàn)6種SENPs：SENP1、SENP2、SENP3、SENP5、SENP6和SENP7[6]。SENPs類似一個(gè)“開(kāi)關(guān)”，調(diào)控SUMOylation和deSUMOylation的動(dòng)態(tài)平衡，既可作用于SUMO前體，暴露其Gly殘基，促進(jìn)SUMO與底物的結(jié)合；又可抑制SUMO2/3，將SUMO與靶蛋白解離。SUMOylation和deSUMOylation的失衡可導(dǎo)致多種CNS疾病的發(fā)生。

2 SUMOylation與CNS腫瘤

蛋白后修飾是細(xì)胞信號(hào)通路調(diào)節(jié)機(jī)制的重要組成部分，促進(jìn)細(xì)胞適應(yīng)內(nèi)環(huán)境的改變。SUMO以及SENPs參與調(diào)控多種細(xì)胞信號(hào)通路，如磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/Protein Kinase B,PI3K/Akt)、HIF-1α/VEGF-A和核轉(zhuǎn)錄因子κB (nuclear factor κB，NF-κB)信號(hào)通路等，影響CNS腫瘤的生物學(xué)行為[7,8]。

2.1 SUMOylation與膠質(zhì)瘤 SUMO和Ubc9的表達(dá)水平隨膠質(zhì)瘤級(jí)別的增加而增加，抑制SUMO可抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞DNA合成和mRNA代謝，影響正常的細(xì)胞周期和蛋白功能。細(xì)胞周期蛋白激酶6(cyclin-dependent kinase 6,CDK6)在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中可被SUMO1修飾，Lys216位的SUMO化抑制其在Lys147位的泛素化，進(jìn)一步抑制泛素介導(dǎo)的CDK6降解，促進(jìn)細(xì)胞的增殖[9]。聚嘧啶多肽結(jié)合蛋白2 (polypyrimidine tract-binding protein 2,PTBP2)影響mRNA前體加工以及mRNA代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)。在T98G膠質(zhì)瘤細(xì)胞系中，Ubc9顯著增強(qiáng)PTBP2的SUMO1修飾，其SUMOylation位點(diǎn)是Lys137位，但該位點(diǎn)容易發(fā)生突變影響蛋白的穩(wěn)定性。另外SENPs也影響膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖與侵襲。在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中，敲除SENP2可增強(qiáng)NF-κB調(diào)節(jié)因子的SUMOylation水平，促進(jìn)細(xì)胞的存活和侵襲，而抑制SENP1可抑制AKT的磷酸化；在LN-299膠質(zhì)瘤細(xì)胞系中，SENP1表達(dá)的下調(diào)可促進(jìn)細(xì)胞凋亡[10]。

2.2 SUMOylation與垂體腺瘤 SUMO1在侵襲性垂體腺瘤中的表達(dá)水平明顯高于非侵襲垂體腺瘤和正常垂體包膜組織，表明SUMO1可促進(jìn)垂體腺瘤的侵襲，作用機(jī)制與RWD結(jié)構(gòu)修飾增強(qiáng)子(RWD-domain-containing sumoylation enhancer,RSUME)高表達(dá)有關(guān)[10]。RSUME有增強(qiáng)SUMOylation水平的作用，通過(guò)穩(wěn)定HIF-1α和VEGF-A的表達(dá)及轉(zhuǎn)錄活性，促進(jìn)垂體腺瘤的血管新生和侵襲[11]。相反，有研究報(bào)道RSUME可促進(jìn)抑制分子kappa B(inhibitor kappa B,IκB)的Lys21、22位的SUMO化，IκB活性及功能增強(qiáng)后抑制了NF-κB，進(jìn)一步抑制細(xì)胞DNA合成，因此有抗炎、抗腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的作用[12]。綜上，RSUME或SUMO在一定程度上調(diào)控垂體腺瘤的生物學(xué)行為，為腫瘤的治療提供了新的分子作用靶點(diǎn)。

3 SUMOylation與神經(jīng)退行性疾病

神經(jīng)退行性疾病是一類以特定神經(jīng)元慢性變性、丟失，進(jìn)展性的記憶和(或)運(yùn)作障礙為特征的疾病。SUMOylation對(duì)維持神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)、突觸可塑性、線粒體功能和蛋白磷酸化等起著重要的作用，與阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)、帕金森病(Parkinson disease，PD)、亨廷頓病(Huntington’s disease，HD)、肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)和脊髓小腦共濟(jì)失調(diào)癥(spinocerebellar ataxia，SCA)等病變的發(fā)生密切相關(guān)[13]。

3.1 SUMOylation與AD AD是最常見(jiàn)的癡呆性疾病，全球有4700萬(wàn)人口遭受AD的困擾，給家庭和社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和心理負(fù)擔(dān)[14]。其病理改變包括β-淀粉樣肽(β-amyloid peptide，Aβ)沉積、神經(jīng)元纖維纏結(jié)、神經(jīng)元變性丟失、tau蛋白過(guò)度磷酸化等。在上述重要的病理改變中，Aβ和tau的異常蓄積認(rèn)為是關(guān)鍵兩個(gè)致病因素。Aβ的代謝與膜內(nèi)淀粉樣前體蛋白(Amyloid precursor protein，APP)有關(guān)，APP的587、595 位Lys殘基是SUMO1和2的修飾位點(diǎn)，可減少Aβ的沉積；過(guò)表達(dá)的E2酶Ubc9也可促進(jìn)Aβ的降解[15]。在APP/PS1 AD動(dòng)物模型中，Ubc9蛋白和mRNA水平顯著增高，影響突觸后密度蛋白質(zhì)95的表達(dá)和突觸傳導(dǎo)；在Tg2576動(dòng)物模型中，雖然SENP1和Ubc9的表達(dá)無(wú)明顯改變，但SUMO1表達(dá)增加，促進(jìn)Aβ的沉積，加重神經(jīng)損傷[16]。另外，tau蛋白的340位的Lys殘基可被SUMO1修飾，SUMO可競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合tau蛋白的磷酸化位點(diǎn)，改變蛋白構(gòu)象。此外，SUMO1還可以下調(diào)膠質(zhì)纖維酸性蛋白的表達(dá)，抑制膠質(zhì)細(xì)胞的活化；神經(jīng)元凋亡也與SENP2減少所致的線粒體功能破壞有關(guān)[17]。

3.2 SUMOylation與PD PD是一種緩慢進(jìn)展的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)疾病，癥狀表現(xiàn)為顫抖、肢體僵硬、運(yùn)動(dòng)功能減退、步態(tài)異常，病情嚴(yán)重者可進(jìn)展為癡呆或精神異常。多數(shù)PD患者發(fā)病機(jī)制并不清楚，目前已證實(shí)基因突變編碼的α-突觸核蛋白、帕金蛋白(Parkin) 和DJ-1參與了其發(fā)病。α-突觸核蛋白有兩個(gè)SUMO位點(diǎn)：Lys96和102位，其中102位主要由SUMO1修飾。PD中α-突觸核蛋白SUMOylation異常聚集可產(chǎn)生毒素效應(yīng)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[18]。Parkin的SUMO化異常表現(xiàn)為該蛋白與 SUMO1非共價(jià)結(jié)合，增加E3連接酶的活性。在早發(fā)性PD病例中，DJ-1的Lys130位可被SUMO修飾，但因DJ-1突變，導(dǎo)致DJ-1多重位點(diǎn)發(fā)生SUMOylation，降低了DJ-1的溶解度，破壞了細(xì)胞的生長(zhǎng)[19]。

3.3 SUMOylation與HD HD是一種常染色體顯性遺傳疾病，病因與4號(hào)染色上體亨廷頓基因中CAG 序列大量重復(fù)有關(guān)，引起亨廷頓蛋白(Huntingtin protein，Htt)的N端多聚谷氨酰胺序列異常增大，導(dǎo)致突變型Htt在神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)異常聚積，病發(fā)時(shí)無(wú)法控制四肢，并伴隨認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)功能緩慢減退。Htt的N端Lys 6、9、15位是SUMO化修飾的位點(diǎn)。SUMOylation可引起由Htt介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄抑制的增加，降低突變型Htt的積累。最新研究表明Htt的SUMOylation并不一定減少細(xì)胞毒性，SUMO的效應(yīng)受其位點(diǎn)的影響，可能與Htt的泛素化和SUMO化的修飾位點(diǎn)一致，二者存在競(jìng)爭(zhēng)拮抗關(guān)系有關(guān)；另一可能與紋狀體大量表達(dá)的Rhes(小G蛋白超家族的亞家族成員)對(duì)E3連接酶的調(diào)控有關(guān)[20]。

3.4 SUMOylation與ALS 引發(fā)ALS最常見(jiàn)的是人類21號(hào)染色體上的超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1,SOD1)基因突變。SOD1的SUMO位點(diǎn)是Lys67和75位，可被SUMO1、SUMO2/3修飾，其中僅SUMO3可增加SOD1的缺陷(功能性缺失或增添)，具體表現(xiàn)為自由基積累或細(xì)胞毒性物質(zhì)增加；突變SOD1還可破壞線粒體、蛋白酶體以及分子伴侶的功能[21]。ALS的另一病因與興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2(excitatory amino acid transporter 2，EAAT2)有關(guān)。在SOD1-G93A小鼠ALS模型中，EAAT2羧基末端結(jié)構(gòu)域與SUMO1接合，可引起脊髓膠質(zhì)細(xì)胞源性的神經(jīng)毒性作用[22]。

3.5 SUMOylation與SCA SCA以漸進(jìn)性的步伐不協(xié)調(diào)為主要臨床表現(xiàn)，常伴有手、眼部活動(dòng)失調(diào)和小腦萎縮，其發(fā)病與共濟(jì)失調(diào)蛋白(Ataxin)突變、生化酶缺乏及DNA修復(fù)功能異常等有關(guān)。Ataxin1有5個(gè)SUMOylation位點(diǎn)，分別是Lys16、194、610、697、746位；Ataxin3和Ataxin7也被證實(shí)可發(fā)生SUMOylation，其位點(diǎn)分別是Lys166位和Lys257位[13]。Ataxin的SUMO化水平影響其在細(xì)胞核的定位，增加的SUMO1和Ubc2可促進(jìn)Ataxin在細(xì)胞質(zhì)積聚。突變的Ataxin1其SUMOylation水平減少，且Ataxin1的SUMOylation可被JNK磷酸化抑制；突變的Ataxin3和Ataxin7可引起caspase-3表達(dá)增加，促進(jìn)細(xì)胞凋亡[23]。

4 SUMOylation與缺血性腦血管病

短暫性腦缺血或卒中可激活多種蛋白質(zhì)的修飾作用，卒中后SUMO2/3水平的增高表明SUMO化影響腦缺血的發(fā)展。敲除SUMO1～3后，基因組微陣列分析小鼠海馬CA1區(qū)，發(fā)現(xiàn)多達(dá)400種基因的轉(zhuǎn)錄水平異常上調(diào)，小鼠的神經(jīng)功能下降[24]。在大腦中動(dòng)脈閉塞的大鼠模型中，SUMO2/3在缺血早期有一定的神經(jīng)保護(hù)作用，過(guò)表達(dá)Ubc9可保護(hù)大腦局灶性缺血[25]。在皮質(zhì)神經(jīng)元中，除SUMO-1或Ubc9的過(guò)表達(dá)可增加細(xì)胞對(duì)氧和葡萄糖剝奪的耐受外， miRNA182(miR182、miR183、miR96)和miRNA200(miR200a、b、c、miR141、miR429)上調(diào)SUMOylation也有同樣的作用[26]。另外，SUMO化也調(diào)控神經(jīng)元對(duì)慢性腦缺血的反應(yīng)機(jī)制。SENP1～7在CNS中廣泛表達(dá)，調(diào)節(jié)神經(jīng)元和突觸的活動(dòng)。慢性腦缺血引起活性氧(reactive oxygen species,ROS)的蓄積，ROS進(jìn)一步上調(diào)SENPs的表達(dá)，其中過(guò)表達(dá)SENP3引起神經(jīng)血管單元的損傷，抑制SENP3可明顯改善缺血性認(rèn)知功能障礙[27]。在腦外傷、脊髓損傷和蛛網(wǎng)膜下腔出血的動(dòng)物模型中，神經(jīng)元、星型膠質(zhì)細(xì)胞過(guò)度表達(dá)SENP3，SENP3通過(guò)上調(diào)發(fā)動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)促進(jìn)caspase-3的表達(dá)，誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡[28]。

另外，糖原合成酶激酶-3β (Glycogen synthase kinase 3β,GSK-3β)、Sirtuin 1和糖皮質(zhì)激素受體的SUMOylation異常可促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞凋亡。雌激素受體-β (estrogen receptor β,ER-β)的SUMO化則可以抑制膠質(zhì)細(xì)胞活性，減少膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)毒物的產(chǎn)生，減弱炎癥引起的神經(jīng)損傷[29]。另外，E2-25K是一種E2結(jié)合酶，其SUMO化位點(diǎn)是Lys14位，該酶的SUMOylation異?？杉又厝毖俟嘧⑺碌纳窠?jīng)炎癥損傷[30]。熱休克蛋白1(heat shock factor protein 1,HSF1)的Lys298位，是SUMO1的修飾位點(diǎn)，SUMO化后可增強(qiáng)其與DNA的結(jié)合能力，減少ROS對(duì)神經(jīng)元的損傷[29]。目前，越來(lái)越多的研究認(rèn)為SUMO化在缺血性腦損傷中有一定的神經(jīng)保護(hù)作用。

5 結(jié) 論

SUMOylation具有復(fù)雜性、多樣性和動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)，參與調(diào)控多種細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)通路，對(duì)蛋白質(zhì)的定位、變構(gòu)和加工成熟有重要的作用。SUMOylation或deSUMOylation異常與多種CNS疾病的發(fā)生密切相關(guān)，因此研究蛋白質(zhì)的SUMOylation，有助于在分子水平上揭示疾病的發(fā)病機(jī)制和SUMO的調(diào)控作用機(jī)制，為疾病的治療提供新思路。